Fenton 试剂与其他技术联合在废水处理中的应用
[摘 要] Fenton 试剂是H2O2 和Fe2 + 混合得到的一种强氧化剂,近十几年来在废水处理中的应用正得到越来越多的关注,但是单独使用Fenton 试剂处理废水成本会很高,而且有机物的矿化程度不高,而更有效的方法是将Fenton 试剂与其他技术联合处理废水,本文系统地介绍了电- Fenton 法、光- Fenton 法、超声- - Fenton 法、吸附- Fenton 法、微波- Fenton 法、混凝- Fenton 法等在废水处理中的研究和应用现状,并展望了今后的重点研究方向。
[关键词] 联合技术 Fenton 试剂 废水处理
Fenton 试剂是一种强氧化剂,是H2O2 和Fe2 + 的混合物,它是1894 年H. J . H. Fenton 发现的。最初, Fenton 试剂主要运用于酶反应、·OH 自由基对细胞影响的研究。近十几年,人们将其运用于废水处理中。研究表明,Fenton 试剂几乎可以氧化所有的有机物,传统水处理技术无法除去的难降解有机物都能被Fenton 试剂氧化而去除,所以它有着广阔的应用前景,既可以作为废水的预处理,又可以作为最终深度处理,达到出水水质要求。
一、Fenton 试剂处理有机废水的机理
Fenton 试剂之所以具有很强的氧化能力,是因为其中含有H2O2 和Fe2 + ,H2O2 被Fe2 + 催化分解生成羟基自由基(· OH) ,并引发更多的其他自由基,其反应机理如下[ 1 ] :
 |
整个体系的反应十分复杂,其关键是通过Fe2 + 在反应中起激发和传递作用,使链反应能持续进行直至H2O2 耗尽。以上链反应产生的羟基自由基具有如下重要性质[ 2 ] :
(1) 羟基自由基(·OH) 是一种很强的氧化剂,其氧化电极电位为2. 80V ,仅次于F2 ;
(2) 具有较高的电负性或电子亲和能(569. 3kJ ) ,容易进攻高电子云密度点,同时·OH 的进攻具有一定的选择性。
(3) ·OH 具有加成作用。Fenton 试剂处理有机物的实质就是羟基自由基与有机物发生反应。
二、Fenton 试剂与其他技术联合在废水处理中的应用
虽然Fenton 试剂在处理难生物降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水时有其他方法无法比拟的优点,但是单独使用Fenton 试剂处理废水成本会很高,而且有机物的矿化程度不高,所以人们研究并应用了Fenton 试剂与其他技术联合处理废水的方法,目前的研究成果有:电- Fenton 法、光 - Fenton 法、超声- Fenton 法、吸附- Fenton 法、微波- Fen2 ton 法、混凝- Fenton 法等。
(一) 电- Fenton 法。电- Fenton 法的实质是把用电化学法产生的Fe2 + 和H2O2 作为Fenton 试剂的持续来源。电 - Fenton 法的优点是自动产生H2O2 的机制比较完善;H2O2 利用率高;导致有机物降解的因素较多,除了羟基自由基· OH 的氧化作用外,还有阳极氧化、电极吸附等。电- Fenton 法基本分为以下四类[ 3 ] :
(1) EF - H2O2 法。又称阴极电- Fenton 法,即把氧气喷到电解池的阴极上,使还原为H2O2 ,H2O2 与加入的Fe2 + 发生Fenton 反应。该法不用加H2O2 ,有机物降解很彻底,不易产生中间毒害物。但由于目前所用的阴极材料多是石墨、玻璃炭棒和活性炭纤维,这些材料电极效率低, H2O2 产量不高。
(2) EF - Feox 法,又称牺牲阳极法。电解情况下与阳极并联的铁被氧化成Fe2 + ,Fe2 + 与加入的H2O2 发生Fenton 反应。在EF - Feox 体系中导致有机物降解的因素除·OH 外, 还有Fe (OH) 2 、Fe (OH) 3 的絮凝作用,即阳极溶解出的活性 Fe2 + 、Fe3 + 可水解成对有机物有强络合吸附作用的Fe (OH) 2 、Fe (OH) 3 。该法对有机物的除去效果高于EF - H2O2 法,但需加H2O2 ,且耗电能,故成本比普通Fenton 法高。
(3) FSR 法,又称Fe3 + 循环法。FSR 系统包括一个Fen2 ton 反应器和一个将Fe (OH) 3 还原为Fe2 + 的电解装置。 Fenton 反应进行过程中必然有Fe3 + 生成,Fe3 + 与H2O2 反应生成活性不强的HO2·,从而降低H2O2 的有效利用率和·OH 产率。FSR 系统可加速Fe3 + 向Fe2 + 的转化,提高了·OH 产率。该法的缺点是pH 操作范围窄,pH 必须小于1 。
(4) EF - Fere 法。该法与FSR 法的原理基本相同,不同之处在于EF - Fere 系统不包括Fenton 反应器,Fenton 反应直接在电解装置中进行。该法pH 操作范围大于FSR 法,要求pH 必须小于2. 5 ;电流效率高于FSR 法。
(二) 光- Fenton 法。针对普通Fenton 法的缺点,人们把紫外线引入Fenton 体系, 形成了UV/ Fenton 法。UV/ Fenton 法实际是Fe2 + / H2O2 与UV/ H2O2 两种系统的结合, 该系统具有的明显的优点是[ 4 ] : (1) 可降低Fe2 + 的用量,保持H2O2 较高的利用率; (2) 紫外光和亚铁离子对H2O2 催化分解存在协同效应,即H2O2 的分解速率大于Fe2 + 或紫外光催化H2O2 分解速率的简单加和; (3) 此系统可使有机物矿化程度更充分; (4) 有机物在紫外线作用下可部分降解。UV/ Fenton 法具有很强的氧化能力,能有效地分解有机物,且矿化程度较好。但其利用太阳能的能力不强,处理设备费用也较高,能耗大。另外,UV/ Fenton 法只适宜于处理中低浓度的有机废水。这是由于有机物浓度高时,被Fe ( Ⅲ) 络合物所吸收的光量子数很少,并需很长的辐射时间,而且H2O2 的投入量也会增加,同时·OH 易被高浓度H2O2 所清除。因此有必要在UV/ Fenton 体系中引入光化学活性较高的物质。光 - Fenton 法下一步的发展方向应是加强对聚光式反应器的研制,以便提高照射到体系中的紫外线总量,达到降低运行成本的目的。
(三) 超声- Fenton 法。超声波是指频率高于20kHz 的声波,将其应用于水处理领域只是近10 年的事情,它主要用来加速降解水中难降解的有毒有机污染物,是一种高级催化氧化水处理技术。超声波废水处理主要在于超声空化作用产生的局部高温、高压。在超声波作用下,溶液产生空化泡并迅速崩溃,整个过程发生在ns —μs 时间内,从而在空化泡内产生异常的高温( 高于5000K) 和高压(高于50MPa) 。因此,可以对水中污染物直接进行热解作用,另外,在这高温高压环境下产生氧化电位很高的羟基自由基,它可以对许多有机物进行氧化反应,达到降解污染物和去除COD 的作用[ 5 ]。在超声/ H2O2 体系中加入催化剂,其超声降解效果更佳,且 COD 去除率更高。
(四) 混凝- Fenton 法。王九思等[ 6 ] 采用絮凝沉淀— Fenton 氧化法对印染废水进行处理,筛选最佳的絮凝条件及氧化条件, 实验结果表明, 此法可使印染废水的COD 从 1400mg/ L 降至70mg/ L 以下/ ,废水COD 与色度去除率分别为95 %和97 % ,出水达到排放标准,此法具有去除率高, 设备简单,占地面积小,操作方便,不产生二次污染等优点。
(五) 吸附- Fenton 法此法常用的吸附剂是活性炭,也有报道用粉煤灰、树脂的。活性炭是由微小结晶部分和非结晶部分混合组成的碳素物质,平均孔径为1 ×10 - 23 ×10 - 2 ,比表面积为5002500m2/ g ,活性炭表面含有大量酸性或碱性基团,这些酸性或碱性基团的存在,特别是羟基、酚羟基的存在使活性炭不仅具有吸附能力,而且具有催化作用。
(六) 微波- Fenton 法目前微波辐射消除污染物的研究还处于实验室阶段,国外文献报道较少,国内赵景联等对微波辐射与Fenton 试剂催化氧化法相结合降解水中三氯乙烯进行了研究。结果表明,在Fenton 试剂摩尔比为60 ,Fenton 试剂用量10 %、反应时间12min、微波功率750W 的最佳条件下,三氯乙烯脱氯率可以达到87. 08 %。
三、结语
综上所述,Fenton 联用技术能有效地降解化学污染物,在有机废水处理中降低COD 的效果好,因此具有良好的应用前景。但Fenton 联用技术降解水中有机污染物的研究目前主要集中在实验室,实现工业化广泛应用还需做大量的研究工作。今后的研究方向为: (1) 根据各种废水的特点,开发性能价格比合适的Fenton 联用废水处理技术; (2) 在现有的研究工作基础上进一步扩大研究范围,采用实际水样进行连续处理。
[参考文献]
[1 ]李明玉等. 脱氨- 催化氧化- 吸附联合工艺处理苯胺类废水的研究[J ] . 给水排水. 2003 ,29 (1) :52.
[ 2 ]刘勇弟,徐寿昌. 几种类Fenton 试剂的氧化特性及在工业废水处理中的应用[J ] . 上海环境科学,1994 ,13 (4) :1.
[ 3 ]张乃东,郑威,彭永臻. 电Fenton 法处理难降解有机物的研究进展[J ] . 上海环境科学,2002 ,21 (7) :440 - 441.
[ 4 ]张乃东,郑 威. Fenton 法在水处理中的发展趋势[J ] . 化工进展, 2001 , (12) :1.
[ 5 ]郭照冰等. 超声与其他技术联合在废水处理中的应用[J ] . 工业水处理,2003 ,23 (7) :8.
[6 ] 王九思,韩相恩,赵红花. 絮凝沉淀- Fenton 氧化法处理印染废水[J ] . 兰州铁道学院学报(自然科学版) ,2001 ,20 (6) :68.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
如果需要了解更加详细的内容，请点击下载 
Fenton 试剂与其他技术联合在废水处理中的应用.rar
下载该附件请登录，如果还不是本网会员，请先注册
